JPH0371950B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

（産業上の利用分野） この発明は拡散接合による管の突合せ接合法に
関し、なかでも特に建築現場等の現場作業に適し
た手軽で確実な接合法に関する。 （従来の技術） 最近、建物と付帯設備の寿命格差が問題となつ
ている。このため、配管材料の選定に際しては、
耐久性の良い強靭なステンレス管の特性を生かす
新技法の研究開発が進められている。ステンレス
鋼管の突合せ接合については、チユーブウエルダ
ーによる周溶接が周知であり、現在国内に普及し
ている溶接機としては米国アストロアーク社製自
動チユーブパイプ溶接機、アークマシン社のTIG
チユーブパイプ自動溶接機等があるが、いずれも
高価であるのが欠点である。このため、米国でも
主として宇宙開発、航空機、原子発電、沿岸警備
高速艇等シビヤーな条件を求められる機器用配管
の溶接にしか用いられておらず、建築配管用溶接
の技術としては過剰品質、過剰価格である。 一方、複雑な内孔を有する高温ガスタービン翼
等の耐熱超合金の接合法として拡散接合法が知ら
れている。拡散接合法には被接合部にインサート
材を挾むものと挾まないものとの２種類がある
が、前者の接合法はインサート材を挾むことによ
り加圧力が少なく、接合に要する時間も短いとい
つた利点を持つことから、上述したステンレス鋼
管の建築配管技法としての適用が考えられる。 （発明が解決しようとする問題点） ところが、従来の拡散接合による管の突合せ接
合法は、被接合部に非晶質リボン等からなるイン
サート材を介在させた後、定荷重加圧装置により
圧力を加えながら加熱する関係上、大掛りな加圧
装置を必要とし、建築配管用等の現場使用には適
さない。 本発明は加圧装置を用いない簡便で現場使用に
適した拡散接合による管の突合せ接合法を提供す
ることを目的とする。 また従来の拡散接合による管の突合せ接合法と
して、例えば第１段で900℃で３Kgｆ／mm²で加圧
した後第２段としてインサート材の液相温度で１
Kgｆ／mm²で再加圧する２段加圧の方法が知られて
いるが、本発明の突合せ接合法は加圧装置なしで
この２段加圧に匹敵する厳密で好ましい圧力管理
を可能とするものである。 （問題点を解決するための手段） 本発明の要旨とするところを、第１図および第
２図の原理図を参照して述べれば、インサート材
３を挾んだ状態で管端を突合せた２本の被接合管
Ａ，Ｂを、連結体１にて結合された一対のクラン
プ機構ａ，ｂにてそれぞれ挾持し、この状態で前
記被接合管Ａ，Ｂをその突合せ部５近傍を加熱装
置４にて加熱することにより拡散接合することを
特徴とする管の突合せ接合法にある。 拡散接合時間短縮のため被接合管Ａ，Ｂ間に介
装させるインサート材３としては接合部の強度品
質保証を図るうえで該接合部に酸化物等を残存さ
せる虞れのない非晶質金属箔の使用が望ましい。 インサート材３の固定方法としては被接合管
Ａ，Ｂの間にはさんで固定する方法又はインサー
ト材５を管端接合面に予めスポツト溶接で固定す
る方法等がある。 接合雰囲気は真空下、アルゴン、窒素、ヘリウ
ム、水素等の保護ガス雰囲気とするのが好まし
い。第１図において１９は接合部５をこれらの雰
囲気に保持するためのシールドカバーである。 インサート材３と被接合管Ａ，Ｂ間の相互拡散
時間は、インサート材３の厚さに大きく依存して
おり、インサート材３の厚さはその拡散接合を例
えばTIG溶接法等による場合の所要時間である３
〜５分間と同等時間内に完了させ、かつその完了
時において接合部強度確保上インサート材３の合
金層が接合面部に残存しないようにするためには
70μｍ以下とするのが好ましい。 加熱装置４はその種類を問わないが、図示の如
き高周波コイルを使用したものは装置規模が小さ
く、現場使用では特に推奨されるものの１つであ
る。 被接合管Ａ，Ｂの挾持手段については、後の具
体例のところで詳しく説明する。 （作用） 本発明の突合せ接合法において、クランプされ
た被接合管Ａ，Ｂの突合せ部５近傍を加熱すれ
ば、例えば第４図に破線で示すように加熱開始と
同時に被接合管Ａ，Ｂの軸方向の熱膨張による応
力が突合せ接合面に発生する。この応力は接合面
の表面粗さに起因する間隙をなくする。しかる
後、この応力は突合せ部５の加熱による軟化によ
り緩和され、加圧中は一定の加圧力を保持したか
たちとなり、インサート材３を溶解させて被接合
管Ａ，Ｂを拡散接合する。この加圧パターンは他
ならぬ前述した２段加圧であり、接合面の間隙表
面粗さの影響を排除し良好な密着性が得られるこ
とになる。 また被接合管Ａ，Ｂのクランプ力を調整した
り、クランプ機構に工夫を加えることにより広い
範囲の積極的な圧力調整も可能になる。 なお金属管の接合に拡散接合を導入した例とし
て、拡散接合によるクラツド鋼管の製造がある。
これは例えば特開昭59−159284号公報に記載され
ているように、内管と外管の間にインサート金属
を介在させた後、加熱して内管の管径方向の熱膨
張で外管に拡散接合させるもので、加圧装置を使
用しない点で本発明の突合せ接合法と共通する。
しかしながらクラツド鋼管の製造は内管の径方向
の熱膨張を利用したもので、管軸方向の熱膨張を
利用する本発明の突合せ接合法と根本的に異なる
のみらず、クラツド鋼管の製造では内管と外管の
熱膨張差を用いるため材料の選択に制限があり、
かつ積極的な加圧管理は望み得ず、本発明の突合
せ接合法の如き汎用性は持ち合せない。 （具体例） 次に本発明の突合せ接合法に使用する装置につ
いてその使用手順と共に説明する。 第３図は同装置の一つを示すもので、イ図は正
面図、ロ図は側面図を示す。この装置は連結体１
の両端のクランプ機構ａ，ｂがボルト９とピン１
１にて管端Ａ，Ｂを締付けるようになつている。
連結体１の中央にはその軸方向に加わる力を測定
するためのロードセル８が設けてある。 この装置を用いて本発明の突合せ接合法を実施
するには、被接合管Ａ，Ｂの管端をその間にイン
サート材３を挿入した状態でクランプ機構ａ，ｂ
に取付けてボルト９をトルクレンチにて締付け
る。トルクレンチの締付トルクを大に調節すれば
軸方向の移動を許さない完全クランプとなり、そ
の締付トルクを弱く調節すれば管の軸方向の移動
を許容する程度のクランプの強さを与えることが
できる。取付け後、突合せ部を加熱コイル等によ
つて加熱して接合させるが、このとき接合部に発
生する軸方向応力は上述した完全クランプの場合
と、そうでない場合とで異なる。 第４図は完全クランプの場合で、接合部の加熱
温度が経過時間と共に変化する傾向を加熱曲線６
にて示し、接合部に生じる軸方向応力を曲線７ａ
にて示している。同図によれば加熱開始と同時に
管軸方向の熱膨張による加圧応力が接合部に発生
している。この応力は接合面の表面粗さの間隙を
平坦にする働きがある。この管軸方向の熱膨張に
よる加圧応力は加熱温度が保持の状態になつた時
点で材料の軟化により緩和され、加熱保持期間
中、一定の加圧応力を保持したかたちとなる。次
いで加熱温度を降下させると、冷却過程で材料の
収縮が始まり、上記加圧応力は引張応力に転ず
る。この引張応力は接合部強度の約1/5程度であ
るから、接合部に悪影響を与えるものではない。 この完全クランプ法では、熱膨張による加圧応
力曲線７ａの昇温パターンは前記従来法の２段加
圧法に匹敵する効果をもつものであり、接合面の
間隙、表面粗さの影響を受けず密着性が良好であ
り、しかも従来法の定荷重加圧法と同様に塑性変
形の小さい接合部を得ることが出来る。 第６図は被接合材Ａ，Ｂのクランプを軸方向移
動を許容する程度に調整した場合の温度と圧力の
関係を示している。加熱曲線６は前記完全クラン
プ（第４図）のときと同様であるが、加圧応力曲
線７ｂが異なる。すなわち完全クランプの場合は
昇温時に加圧応力、降温時に引張応力が比較的大
きな値で生じたが、完全クランプでない場合は、
被接合材Ａ，Ｂのクランプ力の調整によつて上記
加圧応力および引張応力を任意に低下させること
ができ、その結果、接合部ふくらみ（第５図）を
接合部断面積の１％以内に抑えるようにすること
も可能である。 管の軸方向移動を許容する材料挾持は、被接合
管Ａ，Ｂの両側のクランプ機構ａ，ｂで行つても
よいし、あるいは片側のクランプ機構ａまたはｂ
で行つてもよい（このとき他の片側は完全クラン
プ機構となる）。両側のクランプ機構ａ，ｂで材
料移動を許容する場合は、被接合管Ａ，Ｂの移動
の許容に必要な「ゆるめ分」を左右で振り分ける
ことになる。 第７図は他の装置例を示すもので、イ図は正面
図、ロ図はＡ−A′断面図である。この装置は基
本的には連結体１の端部のクランプ機構ａ，ｂを
ボルト１０とナツト１５で締付ける構造である
が、特にそのボルト１０に改良を加えてあり、ハ
図にそのボルト１０、ナツト１５の拡大図、ニ図
にボルト幹部のＢ−B′断面を示している。 この装置例はクランプ機構ａ，ｂでの材料挾持
をボルト１０、ナツト１５の締付力を調節して完
全クランプにも、軸方向移動許容クランプにもな
し得るもので、ボルト１０、ナツト１５の締付力
をボルト幹部に取付けた歪ゲージ１２にて測定し
ながら加減調節するものである。 第８図はさらに他の装置例を示すもので、イ図
は正面図、ロ図はＣ−C′断面である。この装置で
は片側のクランプ機構ｂをインレイ１８により連
結体１に沿つて移動可能としてある。１４は連結
体１の片側にボルト２０等にて固着された固定片
で、クランプ機構ｂの連結体１の外側への移動を
防止しその内側方向へのみ移動を許す。締めねじ
１７はクランプ機構ｂの連結体１に対する摩擦係
数をその締付力にて調整するためのものである。
この装置によれば加熱昇温時の熱膨張による圧縮
応力は完全クランプの場合と同じであるが、冷却
時の収縮による引張応力はインレイ１８が滑動の
ときはゼロになり、インレイ１８が摩擦係数を持
つときはその値に応じて冷却時の引張応力を軽減
させる。 （実施例） 本発明法による接合性能が充分なものかどうか
を次に記す実施例１、実施例２、実施例３、実施
例４と従来法との比較試験により確めた。 試験に使用した被接合管の化学成分を第１表に
示す。

【表】

【表】 試験に使用したインサート材（アモルフアス
材）の化学成分を第２表に示す。同表にてMBF
−15、MBF−30、MBF−75、MBF−80は市販
品でアライド・ケミカル社製の商品名であり、試
作１〜６は表に示す化学成分をもつ素材を溶湯の
超急冷法によつて30〜60μｍ厚みの非晶質リボン
として本発明実施に当り特別に試作したものであ
る。 従来法は上記被接合管およびインサート材を使
い定荷重加圧装置にて外から加圧を加えながら被
接合部近傍を加熱し接合したものである。加熱温
度は1040〜1200℃、加熱時間は５分、加圧応力は
1.0Kgｆ／mm²とした。 これに対し実施例１は連結体の両端のクランプ
機構ａ，ｂを締付ボルトをトルクレンチにて材料
を完全クランプの状態に締付けた状態で管接合部
付近を加熱して第４図のような加圧曲線を得た場
合である。 また実施例２は連結体の両端のクランプ機構
ａ，ｂの締付ボルトの締付力の調節により軸方向
移動を許容する程度のクランプ（フリークラン
プ）の状態にして、第６図のような加圧応力曲線
を得た場合である。 被接合管の材質はいずれもSUS304とし、管接
合部の加熱方法は高周波加熱コイルとアルゴンガ
スシールドの併用によつた。 第３表にこれらの比較試験結果を示す。接合性
能は管の接合部より採取した22.2×1t（mm）の試
験片に常温引張試験を施して得た引張強さ（Kg
ｆ／mm²）、伸び（％）、絞り（％）によつた。 第３表にて明らかなように本発明の方法を使つ
た実施例１および実施例２については、加圧応力
は昇温時で３〜12Kgｆ／mm²、加熱保持時に1.0〜
1.5Kgｆ／mm²が得られ、従来法の定荷重加圧装置
を使つた場合の加圧応力1.0Kgｆ／mm²とほとんど
同程度の変らない値が得られ、かつ接合部のふく
らみも従来法と同様に少なく、管の接合部におけ
る塑性変形率（ふくらみの断面積と管母材の断面
積との比の増加分）を１％以内の小さな値に押え
得た。また本発明法の実施例１、実施例２とも従
来法と同様の常温引張試験の引張強さ55〜59Kg
ｆ／mm²、伸び40〜55％、絞り54〜46％の範囲内を
保証することができた。

【表】

【表】

【表】 第４表は他の比較試験を示したもので、接合母
材としてはSUS304、SUS304L、SUS316、
SUS316Lの４鋼種、インサート材は試作６（第２
表）を接合面の断面形状に打ちぬいて使用した。 実施例３は完全クランプの状態で管接合部付近
を加熱して第４図の加圧応力曲線を得た場合、実
施例４は軸方向の移動を許容するクランプ（フリ
ークランプ）の状態で管接合部付近を加熱して第
６図のような加圧力曲線を得た場合である。なお
従来法は第３表のときと同じ手法で行つた。 第４表にみられる通り本発明法の実施例３と実
施例４については本発明法の加圧応力は昇温時で
３〜12Kgｆ／mm²、加熱保持時に1.0〜1.5Kgｆ／mm²
が得られ、従来法の加圧応力1.0Kgｆ／mm²とほと
んど同程度の変らない値が得られ、かつ接合性能
を示す常温引張試験では引張強さは56〜59Kgｆ／
mm²、伸びは45〜50％、絞り46〜50％の範囲内に
各々あつた。すなわち、本発明方法（実施例３、
実施例４）によれば従来法と同様のすぐれた接合
性能が保証され得た。 なお本発明の適用材としての被接合母材は
SUS304、SUS304L、SUS316、SUS316Lに何ら
限定されるものでなく、オーステナイトステンレ
ス鋼を始め、線膨張係数の高い材料（通常０〜
650℃で11×10^-6以上）であればいずれもが適用
され得るものである。 なお、上記実施例１〜４において使用した被接
合管の寸法は外径34mm、肉厚1.2mmであり、クラ
ンプ位置は接合部より両管端側へ100mmとした。 クランプ位置については目違い量を少なくする
ためと、接合装置のコンパクト化を図るために、
接合に支障をきたさない範囲内で接合部にクラン
プ部を近づけることが望ましい。 次に、被接合管が炭素鋼鋼管の場合の実施例を
説明する。 使用した炭素鋼は第５表に示すSGP、STS38、
STKSの３種類であり、管寸法はSGPでは外径34
mm、肉厚3.2mm、STS38では外径28mm、肉厚4.0
mm、STKSでは外径50.8mm、肉厚2.3mmとした。 これらの炭素鋼鋼管を完全クランプの状態で管
接合部近傍を加熱して、第４図のような加圧曲線
を得た場合の接合性能を第７表に実施例５として
示す。クランプ位置は接合部より両管端側に100
mmとした。またインサート材は第６表に示す2605
−SCを使用した。なお、第６表に示すインサー
ト材MBF−50、2605−SC、2605S−２、2605S−
3Aはアライド・ケミカル社製で、いずれも厚み
は25μｍであり、試作７，８は超急冷法によつて
得た30μｍ厚の非晶質箔である。 第７表から明らかなように、本発明の接合法は
炭素鋼鋼管に対しても非常に有効である。 上記炭素鋼鋼管の接合において、インサート材
を変更した場合の結果を第８表に実施例６、７、
８として示すが、本発明の接合法が炭素鋼鋼管に
対して有効なことは、この表からも明らかであ
る。

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】

【表】 （発明の効果） 以上の説明から明らかなように、本発明の管の
突合せ接合方法は、加圧装置を使用せず、クラン
プ機構を相互に連結するだけで、必要な接合荷重
を得るので、接合装置を簡素化することができ
る。接合荷重が控えられるので、接合ふくらみの
小さい接合部を得ることができる。また、冶金学
的には、加圧装置を使用して大きな加圧力で接合
を行うと、フエライトバンド（脱成分層、溶融
層）が発生し、成分が希釈されてそこが軟化層と
なり、強度低下がまぬがれないが、本発明の管の
突合せ接合法にあつては、前記フイライトバンが
発生せず、強度低下がない。被接合管の塑性変形
が少なく、接合部も母材と均一な組織となり、強
度は勿論、靭性、耐食性に対しても母材と同等の
性能を有する接合部を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図は本発明の原理を説明する
模式側面図、第３図は本発明の装置例の一つを示
し、イ図は正面図、ロ図は側面図、第４図は接合
材を完全にクランプしたときの加圧応力を説明す
る線図、第５図は管接合部のふくらみの説明図、
第６図は接合材を軸方向移動を許容するクランプ
力にしたときの加圧応力を説明する線図、第７図
は他の装置例を示しイ図は正面図、ロ図はＡ−
A′断面図、ハ図はボルト、ナツト拡大図、ニ図
はＢ−B′断面図、第８図はさらに他の装置例を
示し、イ図は正面図、ロ図はＣ−C′断面図であ
る。 １：連結体、ａ，ｂ：クランプ機構、３：イン
サート材、Ａ，Ｂ：被接合管端、４：加熱コイ
ル、５：突合せ部、６：加熱温度曲線、７ａ，７
ｂ：加圧応力曲線、８：ロードセル、９：固定ボ
ルト、１０：締付ボルト、１１：ピン、１２：歪
ゲージ、１３：コーテイング、１４：固定片、１
５：ナツト、１７：締めねじ、１８：インレイ、
１９：シールドカバー、２０：ボルト。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 被接合管Ａ，Ｂより低融点のインサート材３
   を管端間に挟んだ状態で、該被接合管Ａ，Ｂを突
   き合わせて一対のクランプ機構ａ，ｂによりそれ
   ぞれ挟持し、該クランプ機構ａ，ｂをその離間距
   離が変わらないように連結体１にて相互に連結し
   た状態で、前記被接合管Ａ，Ｂの突き合わせ部５
   近傍を加熱コイル４にて前記インサート材３の融
   点以上に誘導加熱することにより、その加熱部に
   生じる管軸方向の熱膨張力を加圧力に変えて前記
   被接合管Ａ，Ｂの突き合わせ部５に付加し、被接
   合管Ａ，Ｂを強制加圧することなく、その突き合
   わせ部５を拡散接合することを特徴とする管の突
   合せ接合方法。